Походження життя на Землі: альтернативна гіпотеза

Життя на Землі виникло внаслідок взаємодії нуклеїнових кислот і білків (пептидів), внаслідок чого сформувалися генетичні "залишки" перших проторганізмів. Про це йдеться в нових статтях біохіміків з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл та Університету Окленда. Запропонована ними гіпотеза "пептид-РНК" суперечить широко поширеній теорії "РНК-світу", згідно з якою життя виникло з нуклеїнових кислот і тільки пізніше відбулася їхня трансформація в білки, пише Альтернативна наука.

Нові статті, розміщені в Molecular Biology and Evolution і в Biosystems, описують, як експериментальні дослідження дали змогу припустити, які процеси змусили біохімічні сполуки перейти на еволюційні рейси понад чотири мільярди років тому.

"Досі вважалося неможливим проведення експериментів, що дають змогу проникнути у витоки генетики", - каже один зі співавторів нової теорії Чарльз Картер, доктор філософії, професор біохімії та біофізики в Школі медицини UNC.

"Але ми тепер показали, що експериментальні результати чудово поєднуються з теорією "пептид-РНК", і тому ці експерименти дають доволі переконливі дані, що відбулося на початку життя на Землі".

Симбіоз перших ферментів і білків могли не тільки створити примітивний генетичний код, а й ранню біологію, а значить привести перші форми життя до більшого розмаїття і ускладнених структур, стверджують дослідники.

Ще один співавтор Пітер Віллс, професор фізики Університету Окленда, уточнює: "Порівняно з гіпотезою РНК-світу ми виклали просто більш імовірний сценарій виникнення життя. Ми сподіваємося, що наші дані і теорія, яку ми виклали в цих статтях, стимулюватиме обговорення і подальші дослідження з питань, пов'язаних з витоками життя".

Обидва вчені повністю усвідомлюють, що гіпотеза РНК-світу все ще домінує в галузі досліджень походження земного життя.

"Ця теорія настільки приваблива і корисна, що більшість людей просто не думають, що є якась альтернатива", - упевнений Картер. - "Але ми впевнені в зворотному".

До того, як виникло життя, на Землі існували прості хімічні сполуки. Так чи інакше, вони продукували як амінокислоти, так і нуклеотиди (і це залишається поки що загадкою), які зрештою стали примітивними білками та нуклеїновими кислотами, необхідними для формування окремих клітин. Згодом самі клітини стали рослинами і тваринами.

Дослідження показало, як первинний хімічний суп створив будівельні блоки життя. Далі все просто - існує широко поширений науковий консенсус щодо історичного шляху, яким клітини еволюціонували в рослини і тварини.

Однак, як і раніше, залишається незрозумілим, як основні блоки амінокислот спочатку "збиралися" відповідно до закодованих шаблонів нуклеїнової кислоти в білки, а потім як запустився процес формування клітин.

Теорія РНК-світу стверджує, що РНК - молекула, яка сьогодні відіграє чільну роль у кодуванні, регуляції та експресії генів, піднеслась від первинного супу амінокислот і космічних хімічних сполук, що призвело до отримання коротких білків, які називаються пептидами, а потім - до одноклітинних організмів. Чому відбулося таке "піднесення", залишається загадкою.

Картер і Віллс стверджують, що РНК не здатні почати подібний процес "природного синтезу" тільки тому, що їй бракує внутрішнього компонента, який вчені називають "рефлексивністю". Білки без зовнішнього втручання або каталізатора не можуть застосовувати правила, за допомогою яких вони створені.

РНК необхідні пептидам для формування рефлексивного циклу зворотного зв'язку, щоб продукувати життєві форми. Інакше кажучи, теорія РНК-світу, - хоча це і не визнають її прихильники, - передбачає наявність готових форм життя, які на першому етапі могли б синтезувати амінокислоти.

Що, природно, є абсурдом, якщо ми говоримо про автентичне походження життя. В основі теорії пептид-РНК лежать ферменти, які, не дивлячись на свою давнину, все ще трапляються у всіх живих клітинах і навіть у деяких субклітинних структурах, зокрема в мітохондріях і вірусах.

Нині відомі 20 стародавніх ферментів, так звані аміноацил-тРНК-синтетази (aaRS). Кожен з них розпізнає одну з 20 амінокислот, які слугують будівельними блоками білків (білки каталізують і синхронізують хімічні реакції всередині клітин.)

В сучасних організмах aaRS ефективно пов'язує свою призначену амінокислоту з рядком РНК, який містить три нуклеотиди, комплементарні до схожої в транскрибованому гені. Таким чином, aaRS відіграють центральну роль у перетворенні генів на білки, процесі, що називається трансляцією, який необхідний для всіх форм життя.

20 ферментів aaRS належать до двох структурно різних родин, кожна з яких має у своєму розпорядженні 10 aaRS. Нещодавні експериментальні дослідження Картера показали, що два найдавніші ферменти цих родин були закодовані протилежними додатковими ланцюгами одного і того ж малого гена. Простота компонування, з його початковим двійковим кодом тільки двох видів амінокислот, припускає, що це сталося на самому ранньому етапі біологічного світу.

Більше того, жорстка, інь-янська взаємозалежність цих двох споріднених, але сильно відмінних ферментів стабілізувала ранню біологію в такий спосіб, що неминуче потягнула за собою послідовну диверсифікацію життя, яке формувалося.

"Взаємозалежні пептиди та нуклеїнові кислоти, що їх кодують, могли б допомогти молекулярній самоорганізації один одного, незважаючи на постійні випадкові порушення, які оточують усі молекулярні процеси", - переконаний Картер. - "Ми вважаємо це тим, що породило світ пептид-РНК на ранній стадії історії Землі".

Пов'язані дослідження колеги Картера та Річарда Вольфендена з UNC раніше показали, як хімія амінокислот дала змогу першим ферментам aaRS правильно складатися у функціональні ферменти, одночасно визначаючи призначення в таблиці універсального генетичного кодування.

"Примус до взаємозв'язку між генами та амінокислотами залежить від aaRS, які самі кодуються генами та зроблені з амінокислот", - переконаний Віллс. - "Своєю чергою, aaRSs залежать від того самого відношення. Тут є базова рефлексивність. Теоретик Дуглас Хофстадтер назвав це "дивною петлею". Ми припускаємо, що цей фактор теж зіграв вирішальну роль у самоорганізації біології, коли життя почалося на Землі. Хофстадтер стверджував, що рефлексивність забезпечує силу, що сприяє зростанню складності".

Картер і Віллс запропонували дві додаткові причини, з яких біологія чистої РНК будь-якого значення навряд чи може передувати біології пептид-РНК. Перша - каталіз за участю інших молекул.

Каталіз - ключова особливість біології, яку РНК не може виконувати з великою універсальністю. Зокрема, ферменти РНК не можуть легко адаптувати свої дії до змін температури, які, ймовірно, відбулися з охолодженням Землі, і тому не можуть виконувати дуже широкий діапазон каталітичних прискорень, які були необхідні для синхронізації біохімії ранніх клітинних форм життя. Тільки пептидні або білкові ферменти мають таку каталітичну універсальність.

Друга причина полягає в тому, що будь-які зовнішні зміни (подразники) заблокували б перехід від світу чистої РНК до світу білок-РНК і далі до життя.

"Таке зростання від РНК до життя на основі клітин вимагало б "блакитної" появи aaRS-подібного білка, який працював би навіть краще, ніж його адаптований аналог РНК", - вважає Картер. - "Ця вкрай малоймовірна подія мала статися не один, а кілька разів - один раз для кожної амінокислоти в наявному генно-білковому коді. Це просто не має сенсу".

Оскільки нова теорія Картера-Віллса фактично розв'язує реальні проблеми походження життя, які приховані через доцільність гіпотези РНК-світу, насправді це набагато простіший звіт про те, що, найімовірніше, сталося незадовго до того, як життя вирвалося з початкового супу.

Але все ж проблема біогенезу залишається невирішеною: що ми називаємо життям, точніше кажучи тим, що визначається як початок біології?